РАДИОАКТИВНОСТЬ

РАДИОАКТИВНОСТЬ

       

(от лат. radio -излучаю, radius — луч и activus — действенный), способность нек-рых ат. ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в др. ядра с испусканием ч-ц. К радиоактивным превращениям относятся: альфа-распад, все виды бета-распада (с испусканием эл-на, позитрона или с захватом орбитального эл-на), спонтанное деление ядер, протонная и двупротонная Р., двунейтронная Р. и др. виды распадов. В случае b-распада большое время жизни ядер обусловлено природой слабого взаимодействия, вызывающего b-распад. За остальные виды радиоактивных процессов ответственно сильное взаимодействие; замедление таких процессов связано с наличием потенциальных барьеров (кулоновского и центробежного), затрудняющих вылет ч-ц из ядра.

С Р. связаны процессы испускания запаздывающих протонов и нейтронов, а также запаздывающее спонтанное деление ядер. В этих процессах b-распад — предварительная стадия, задерживающая испускание яд. ч-ц. Радиоактивный распад часто сопровождается гамма-излучением, испускаемым в результате электромагн. переходов между различными квантовыми состояниями одного и того же ядра.

Открытие Р. датируется 1896, когда франц. физик А. Беккерель обнаружил испускание ураном неизвестного проникающего излучения, названного им радиоактивным. Вскоре была обнаружена Р. тория, а в 1898 франц. физики М. и П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента — полоний и радий. Работами англ. физика Э. Резерфорда и Кюри было установлено наличие трёх видов радиоактивных излучений — a-, b- и g-лучей. Резерфорд и англ. физик Ф. Содди указали, что испускание a-лучей сопровождается превращением хим. элементов, напр. превращением радия в радон. В 1913 амер. учёный К. Фаянс и Содди независимо сформулировали т. н. правило смещения, характеризующее перемещение нуклида в периодич. системе элементов при а- и b-распадах.

В 1934 франц. физики И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусственную Р., т. е. радиоактивность ядер — продуктов ядерных реакций, к-рая впоследствии приобрела особенно важное значение. Из общего числа (=2000) известных радиоактивных нуклидов лишь ок. 300 — природные, а остальные получены в результате яд. реакций. Между искусств. и естеств. Р. нет принципиального различия. Изучение искусств. Р. привело к открытию новых видов b-распада — позитронному b+ -распаду (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) и электронному захвату. В 1939 был обнаружен распад с испусканием запаздывающих нейтронов (Дж. Даннинг с сотрудниками, США). В 1940 К. А. Петржак и Г. Н. Флёров открыли спонтанное деление ядер.

Для процессов радиоактивного распада характерен экспоненциальный закон уменьшения во времени ср. числа радиоактивных ядер. Продолжительность жизни радиоактивных ядер характеризуют п е р и о д о м п о л у р а с п а д а T1/2 (промежутком времени, за к-рый число радиоактивных ядер уменьшается в среднем вдвое).

Во мн. случаях продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными, и тогда образованию стабильных нуклидов предшествует цепочка из неск. актов радиоактивного распада. Характерными примерами систем, в к-рых происходят сложные радиоактивные превращения, явл. радиоактивные ряды изотопов тяжёлых элементов. Мн. радиоактивные ядра могут распадаться по двум или неск. из перечисленных выше осн. типов Р. В результате конкуренции разных путей распада возникают разветвления радиоактивных превращений. Для природных радиоактивных изотопов характерны разветвления, обусловленные возможностью a- и b-распадов. Для трансурановых элементов наиболее типичны разветвления, связанные с конкуренцией a-(реже b-)распадов и спонтанного деления. У нейтронодефицитных ядер часто наблюдается конкуренция b+-распада и электронного захвата. Для мн. ядер с нечётными Z (число протонов) и чётными А (массовое число) оказываются энергетически возможными два противоположных варианта b-распада: b-распад и электронный захват или b- и b+-распады.

Открытие Р. оказало огромное влияние на развитие науки и техники. За работы, связанные с исследованием и применением Р., было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии, в т. ч. А. Беккерелю, П. и М. Кюри, Э. Ферми, Э. Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д. Хевеши, О. Гану, Э. Макмиллану и Г. Си-боргу, У. Либби.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

РАДИОАКТИВНОСТЬ

(от лат. radio - излучаю и activus - деятельный) - свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд Z, массовое число А) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Радиоакт. распад может происходить, если данное превращение энергетически выгодно, т. е. если разность Q между массой исходного ядра и суммарной массой продуктов распада положительна. Нек-рые из существующих в природе ядер радиоактивны, но большинство радиоакт. нуклидов получены искусственно в результате ядерных реакций. Искусств. Р. ядер определяет границы (по А и Z) существования в природе радионуклидов. Ядра, радиоактивные в осн. состоянии, распадаются и в возбуждённых состояниях. При достаточно больших энергиях возбуждения стабильные ядра также становятся радиоактивными. Ниже рассматриваются ядра, радиоактивные в осн. состоянии.

Явление Р. открыто в 1896 А. Беккерелем (A. Becque-rel), к-рый наблюдал спонтанное испускание солями U неизвестного излучения. Вскоре Э. Резерфорд (Е. Rutherford) и П. и М. Кюри (P. et M. Curie) установили, что при радиоакт. распаде испускаются ядра Не (a-частицы), электроны (b^- -частицы) и жёсткое эл.-магн. излучение (g-лучи). В этот период исследователи Р. могли использовать лишь естеств. радионуклиды, содержащиеся в земных породах в достаточно большом кол-ве,- ²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U. С этих радионуклидов начинаются 3 радиоакт. семейства (радиоакт. ряда), заканчивающихся стабильными изотопами Рb (рис.). В дальнейшем был обнаружен ряд, начинающийся с ²³⁷Np, с конечным стабильным ядром ²⁰⁹Bi; ²³⁷Np обнаружен в урановых рудах в соотношении ²³⁷Np/²³⁸U = 1,8·10^-1, впоследствии - в ядерных реакторах, где он образуется в результате реакции ²³⁸U(n, 2n) ²³⁷U²³⁷Np. Ядра - члены семейства находятся в равновесии между собой, поэтому наряду с долгоживущими родоначальниками существуют и все короткоживущие продукты их распада. Т. к. радионуклиды открывались как продукты распада U и Th, то им давались названия по месту в радиоакт. ряду, напр. UX₁UX₂; RaDRaE.

Распад с вылетом позитронов ( -распад) открыт в 1934 И. и Ф. Жолио-Кюри (I. et F. Joliot-Curie). В 1940 открыт новый тип Р.- спонтанное деление ядер (К. А. Петржак, Г. Н. Флёров). Делящееся ядро разваливается на два осколка сравнимой массы с одноврем. испусканием нейтронов и g-квантов (см. Деление ядер). Протонная Р. ядер наблюдалась в 1982 С. Хофманом (S. Hofmann) с сотрудниками (см. Протонная радиоактивность).

В 1984 X. Роуз (Н. Rose) и Г. Джонс (G. Jones) открыли спонтанное испускание ядер ¹⁴ С ядрами Ra. В течение последующих 3 лет был обнаружен спонтанный распад др. ядер с вылетом тяжёлых фрагментов (кластеров) - ²⁴Ne и ²⁸Mg (f -радиоактивность). Возможна также двухпротонная Р., теоретически предсказанная В. И. Гольданским (1960).

Число N радиоакт. ядер убывает со временем t по закону

где N₀ - число ядер в момент их образования, l - постоянная распада (вероятность распада в единицу времени). Если при распаде происходит конкуренция разл. типов (каналов) Р., то l равна сумме парциальных величин l_i. Относит. вероятность наблюдения разл. видов Р. определяется отношением Время жизни нестабильного состояния ядра Скорость радиоакт, распада характеризуют периодом полураспада Полное время жизни радиоакт. ядра

связано с парциальными величинами т _i соотношением Времена жизни родоначальников радиоакт, рядов лет.

Это немногие "выжившие" с момента образования Солнечной системы нестабильные нуклиды.

Бета-Р., при к-рой сохраняется массовое число А нуклида, но изменяется на 1 его заряд Z, представляет собой одно из проявлений бета-распада ядер, когда входящий в состав ядра протон p (нейтрон n) превращается в нейтрон (протон) с образованием позитрона b⁺ (электрона b^-) и нейтрино (антинейтрино ). Аналогичную природу имеет изменение заряда ядра, связанное с захватом атомарных электронов (электронный захват). Бета-распад связан со слабым взаимодействием нуклонов в ядре.

Остальные типы Р. связаны с сильным взаимодействием и электромагнитным взаимодействием нуклонов в ядрах. Радиоакт. распад, при к-ром испускаются протоны, a-частицы или тяжёлые кластеры типа ¹⁴ С, характерен тем, что кинетич. энергия относит. движения вылетающей частицы и дочернего ядра принимает значения, близкие (или равные) к полной энергии распада Q. Поэтому дочернее ядро образуется в основном или слабовозбуждённом состоянии. Времена жизни т, соответствующие этим типам Р., экспоненциально возрастают при уменьшении кинетич. энергии продуктов распада. Распад имеет квантовомеханич. характер, он происходит благодаря туннельному проникновению сквозь потенц. барьер, образованный совокупным действием отталкивательного кулоновского и притягивающего ядерного взаимодействий вылетающей частицы и дочернего ядра (см. Альфа-распад).

Продукты распада формируются внутри и на поверхности родительского ядра, причём вероятность их формирования W зависит от структуры исходного и дочернего ядер. Она резко уменьшается при увеличении массы вылетающей частицы. Отношения вероятностей разл. каналов распада зависящие от и вероятностей формирования продуктов распада , сильно варьируются. Напр., отношение вероятностей вылета ядра ¹⁴ С или a-частицы порядка 10^-10-10^-11 для различных родительских изотопов Ra. Оно достигает ~10^-13 для распада ядра ²³⁴U, когда вместо ¹⁴ С испускается ²⁸Mg.

Спонтанное деление также оказывается возможным благодаря туннельному проникновению через потенц. барьер. Однако в этом случае барьер связан с изменением формы ядра в процессе деления, что приводит к иным закономерностям, управляющим этим процессом.

Для объяснения f -распада рассматривают возбуждение ядра, затрагивающее только часть нуклонов вблизи его поверхности; это колебания формы ядра в осн. состоянии (нулевые колебания). В ядерных реакциях возбуждение таких колебаний приводит к появлению т. н. гигантских резонансов (см. Гигантские квантовые осцилляции). Если в процессе таких колебаний ядро достигает грушевидной формы, то могут образоваться фрагмент и остаточное ядро, удерживаемое нек-рое время, как и при a-распаде. Время жизни ядра относительно f -распада определяется вероятностью W"распадной" конфигурации и прозрачностью барьера. Т. к. W убывает с ростом амплитуды колебаний, то для деформиров. ядер в осн. состоянии (см. Деформированные ядра )вероятность f -распада велика. Действительно, ядра Ra имеют квадрупольную деформацию (эллипсоид) и октуиольную (грушевидная форма), к-рые приближают осн. состояние к f -распаду. Проницаемость барьера определяется его высотой, массой фрагментов и гл. обр. энергией распада Q_f. Действительно, в качестве остаточного конечного продукта при f -распаде практически всегда наблюдается ядро Рb с А =208 (Z = 82, N =126); f -распад с образованием такого дважды магического ядра характеризуется большой величиной Q _f.

Получение радионуклидов в результате ядерных реакций приводит к необходимости измерять мин. время распада, определяемого как радиоактивный, чтобы разделить стадии возникновения радионуклида и последующего его распада. Это время (10^-10-10^-12 с) должно превышать время жизни возбуждённого составного ядра в ядерных реакциях.

За работы, связанные с открытием и исследованием Р., присуждено более 10 Ноб. пр. по физике и химии, в т. ч.: А. Беккерелю, П. и М. Кюри, Э. Ферми (Е. Fermi), Э. Резерфорду, И. и Ф. Жолио-Кюри, Д. Хевеши (G. Hevesy), О. Гану (О. Hahn), Э. Макмиллану (Е. McMillan) и Г. Сиборгу (G. Seaborg), У. Либби (W. Libby).

Лит.: Кюри М., Радиоактивность, пер. с франц., 2 изд., М., I960; Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зиг-бана, пер. с англ., в. 1-4, М., 1969; Учение о радиоактивности. История и современность, М., 1973; Hоfmаnn S. и др., Proton radioactivity of ¹⁵¹Zu, "Z. Phys.", 1982, Bd A 305, S. 111; Rose H. J., Jоnes G. A., A new kind of natural radioactivity, "Nature", 1984, v. 307, p. 245; Кадменский С. Г., Фурман В. И., Альфа-распад и родственные ядерные реакции, М., 1985. В. П. Чечев, В. И. Фурман.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.